无刷直流电机的PWM调节技术

作者：Matthieu Bouat

当选择或开发使用脉宽调制（PWM）驱动无刷直流电机的电子设备时，运动控制系统设计人员经常会面临挑战。注意一些基本的物理现象，可以避免意外的性能问题。本文为PWM驱动器与无刷直流电机配合使用提供了通用指导。  

无刷直流电机的换向

有刷直流电机使用机械换向，无刷直流电机与此不同，采用电子换向。这意味着电机的相位，根据转子相对于定子的位置依次通电和断电。对于三相无刷直流电机，驱动器由六个电子开关（通常为晶体管）组成，通常称为三相H 桥（图1）。此配置允许三个双向输出，为电机的三相通电。  

图 1 ：由六个晶体管组成的三相电机 H 桥，与三个电机相位相连。   按特定顺序打开和关闭晶体管，使电机各相通电，以确保定子与转子磁铁感应所产生的磁场保持最佳方向（图2）。

图 2 ：无槽无刷直流电机的横截面示意图。蓝色 区域是带有两极永磁体的转子。 磁铁产生的磁场 由蓝色箭头表示。橙色区域为三相绕组。当电流 从 A 相流向 C 相时会产生磁场，由橙色箭头表 示，以便于简化。当两个箭头对齐时，转子将旋 转。驱动器变换相位（旋转定子磁场，橙色箭头）， 以确保定子和转子磁场之间尽可能保持 90 度（产 生最大扭矩）。   电机可以采用广泛使用的六步梯形换向驱动（图3），也可以通过操作实现更先进的矢量控制，也称为磁场定向控制（FOC），具体取决于电子设备的复杂程度（图4）。  

图 3 ：六步换向相电流和霍尔传感器状态。    图 4 ：使用 FOC 放大器的相电流。

无刷直流电机的PWM调节

在有刷或无刷直流电机中，应用的工作点（速度和扭矩）可能会有所不同。放大器的作用是改变电源电压或电流，或两者都改变，以实现期望的运动输出（图5）。

图 5：有刷直流电机和无刷直流电机之间的运动控制架构比较。   改变电压或电流通常有两种不同的方式：   ·线性放大器；   ·斩波器放大器。   线性放大器通过改变电压或电流，来调整传递给电机的功率。未输送至电机的功率被耗散（图6）。因此，需要一个大型散热器来耗散功率，从而增大放大器的尺寸，使其更难以集成到应用中。  

图 6 ：为电机供电的线性放大器示例。 斩波放大器通过打开和关闭功率晶体管来调节电压（和电流）。它的主要优点是在晶体管关闭时可以节省电源。这有助于节省应用的电池寿命，减少电子设备产生的热量，并允许使用尺寸更小的电子设备。大多数情况下，斩波放大器都使用PWM 方法。   PWM 方法包括在固定频率下改变占空比（图7），以将电压或电流调整到期望的目标值内。请注意，与其它方法相比，PWM 斩波电流的一个优点是开关频率是一个固定参数。这使得电子设计师更容易过滤电磁噪声。当PWM 晶体管占空比为100% 时，施加到电机上的电压为母线电压。当晶体管占空比为50% 时，施加在电机上的平均电压为母线电压的一半。当晶体管占空比为0% 时，不会向电机施加电压。  

图 7 ：不同的 PWM 占空比。所有工况下的频率都是相同的，而平均电压（虚线）与占空比成比例。

无刷直流电机的电感效应 

直流电机的特点是电感L、电阻R 和反电动势E 串联。反电动势是由磁感应（法拉第- 楞次感应定律）产生的电压，它与施加的电压相反，并且与电机速度成正比。图8 显示了PWM 接通和PWM 断开时的电机。

图 8:PWM 接通（左）和断开（右）时，直流电机的简化等效 电路图。为简单起见，右侧电路对应于慢衰减模式（电机中 的电流再循环）。 现在，为了简单起见，我们不考虑反电动势。当向R L 电路施加电压或切断电压时，电感器将阻止电流的变化。向R L 电路施加电压U，电流将遵循一阶指数上升，其动态取决于由L / R 比决定的电时间常数τ（图9）。在经过5 倍时间常数后，它将逐渐达到稳态值，即99.7%的U/R。

图 9:RL 电路中的电流按指数规律上升。 当R L 电路放电时，将观察到相同的指数行为。实际上，无刷直流放大器具有相当高的PWM 频率，电流不容易达到稳态。该频率通常高于50 k H z，因此在每个换相步骤中，有足够的周期对电流进行适当调制。对于50k H z 的PWM 频率，关闭和打开晶体管的周期时间等于20μs。考虑到六步换向，一个以40000 r p m（667H z）运行的单极对电机的一次换向时间，需要250μs。这样，在一步换向期间，至少有250/20=12.5 个PWM 周期。

  无刷直流电机的电气时间常数τ 为几百微秒。因此，在每个PWM 周期内，电流将有时间作出反应。但是，机械时间常数在几毫秒范围内，因此机械时间常数和电气时间常数之间的系数为10。因此，当电压以典型PWM频率切换时，电机转子本身没有足够的时间响应。几千Hz 的低PWM 频率可能会导致转子振动和可听见的噪音。建议使用高于可听频率的频谱，即至少高于20 kHz。  

无刷直流电机PWM 的限制

  PWM 将导致每个周期的电流上升和下降。电流最小值和最大值之间的变化称为电流纹波。高电流纹波可能会导致问题。建议将其保持在尽可能低的水平。电机转矩需要考虑平均电流。平均电流取决于占空比，与电流纹波无关。   与有刷直流电机不同，无刷直流电机没有电刷。高电流纹波对寿命本身没有影响。电流波动会对电机损耗产生很大影响，产生不必要的热量。电流纹波将产生两类损耗：   焦耳损耗。电流纹波将增加均方根（R M S）电流值，这是焦耳损耗计算中考虑的。纹波将产生额外的热量，但不会增加平均电流，因此不会增加扭矩。请注意，它是RMS 电流函数变化的平方。   铁损耗。根据法拉第电磁感应定律，导电材料中磁场的变化将产生电压，然后产生被称为涡流的电流回路。铁损耗与电机速度的平方和电机电流的平方成正比。根据实际测量，当电流纹波较大时，产生的额外铁损耗会显著增加。因此，保持电流纹波尽可能低非常重要。  

最小化电流纹波的建议 

我们可以制定一些建议，以尽量减纹波：   降低或调整电源电压。电流纹波与电源电压成比例。高电压，有助于到达需要高速或更高功率的极端工作点。然而，如果应用不需要高速或高功率，则较低的电源电压将有利于降低电流纹波。在相同负载点下，以较低电压运行也会增加占空比，这将进一步降低电流纹波。务必将PWM 的占空比尽可能保持在50% 以内，这是最坏的情况。   增加PWM 频率。频率越高，PWM 的周期越短；因此，电流上升的时间更短。

建议无刷直流电机的PWM 频率不低于50 kHz。80 kHz 或更高的PWM 频率，更适合于电气时间常数非常小的电机。   增加电感。无刷直流电机的电感值非常小。增加外部电感是一个好主意，因为它们可以减缓电流的上升和下降，从而减少电流纹波。此外，针对1 k H z 的PWM频率给出了指定的电感值。由于电机电感随PWM 频率变化，在50 kH z 的典型PWM 频率下，电感可能会降低至规定值的70%。   通常通过实验确定电感的最佳值。需要增加额外的电感，如图10 所示。虽然这种解决方案可以解决当前的纹波问题，但集成附加电感可能并不容易，尤其是在空间有限的情况下。因此，首先探索其它两种方案通常是明智选择。

图 10 ：带有额外线路电感的无刷电机。 PWM 具有许多优点，是无刷直流电机中应用最广泛的解决方案。设置适当的PWM 电压，使用较高的PWM 频率，将有助于减少纹波，并可以避免使用额外的电感。得益于现在电子元件较低的成本，使得采用高PWM 频率成为一种简单的解决方案。   当涉及电子设备的尺寸和重量时（例如嵌入式电子设备的便携式设备），或者当电池寿命是一个关键指标时（额外电感内阻的焦耳损耗所消耗的额外能量），电气设计师在开发运动控制系统时应考虑这些参数。 

编辑：黄飞